目前，全國(guó)各地夏季來臨，電動(dòng)車也隨著天氣變熱逐漸“躁動(dòng)”起來。自2020年5月起，新能源汽車國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)共發(fā)現(xiàn)79起安全事故。在已查明起火車輛狀態(tài)中，58%的車輛起火源于電池問題，19%的車輛起火源于碰撞問題。這讓人們不得不重新審視新能源汽車的質(zhì)量和安全問題。為何新能源汽車?yán)鲜亲匀?？背后所有的“罪”都得讓電池來背嗎?
《孫子?兵勢(shì)》：“故善戰(zhàn)者，求之于勢(shì)，不責(zé)之于人，故能擇人而任勢(shì)?！币馑际侵诬姴粐?yán)、教導(dǎo)不明而致敗局，這都是將領(lǐng)的過錯(cuò)。電池包中的每個(gè)電芯都是為電動(dòng)汽車增加能量的小兵，如何統(tǒng)領(lǐng)這些小兵，不讓他們“熱失控”而自燃，并能在極端天氣下對(duì)他們“噓寒問暖”，讓其獲得更強(qiáng)的續(xù)航能力，背后需要一名出色的“將領(lǐng)”——熱管理系統(tǒng)。
■夏天，如何遏制自燃這一兇手？
從2020年純電動(dòng)車型申報(bào)情況來看，有部分車型所搭載的三元鋰電池系統(tǒng)能量密度高達(dá)180Wh/kg甚至190Wh/kg。如果車輛在熱管理系統(tǒng)上不達(dá)標(biāo)，這種高能量密度的電池就很容易埋下安全隱患。
“工信部的這一標(biāo)準(zhǔn)無疑設(shè)置了新能源汽車領(lǐng)域電池安全性的一個(gè)新門檻?！狈ɡ讑W中國(guó)首席技術(shù)官顧劍民博士在與汽車之家溝通時(shí)表示。但在他看來，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)有些“治標(biāo)不治本”，因?yàn)殡妱?dòng)汽車安全的最終目標(biāo)不是5分鐘預(yù)警，而是不斷提升設(shè)計(jì)和制造水平，最終達(dá)到單個(gè)電芯不失控，或者是單個(gè)電芯失控后不會(huì)引起整個(gè)電池包起火爆炸。
事實(shí)上，作為能量載體，本質(zhì)完全安全的電池是沒有的。每種電芯和電池系統(tǒng)在熱失控的過程中存在很大差異，不是每一家車企都有能力筑起這5分鐘的“生命墻”。單單把壓力轉(zhuǎn)嫁到動(dòng)力電池上并不合適，電動(dòng)車是否安全也與車企自身的技術(shù)實(shí)力有關(guān)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)則是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
為防止電池自燃，熱管理系統(tǒng)這一“將領(lǐng)”的首要職責(zé)就是“控溫”，不讓底下的小兵（電芯）因熱失控而自燃。電池的習(xí)性與人相似，既受不了太熱，也不喜歡太冷，最適宜的工作溫度在10-30℃之間。當(dāng)溫度過高時(shí)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通常有兩種方式給電池降溫，即風(fēng)冷和液冷。
『特斯拉采用液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)』
風(fēng)冷，一句話解釋即“走路帶風(fēng)”，其技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低（約為1200元）且便于維護(hù)，但它很難達(dá)到散熱均衡，電池內(nèi)部的整個(gè)溫度很容易產(chǎn)生差異。在電動(dòng)車發(fā)展初期，由于占主導(dǎo)的磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性較好，對(duì)散熱要求相對(duì)較低，因此熱管理系統(tǒng)無需太復(fù)雜，使用風(fēng)冷技術(shù)即可，早期代表車型有日產(chǎn)聆風(fēng)、北汽新能源EC、豐田普銳斯等。
然而，目前電池的能量密度越來越高，無論是主流的高鎳三元電池，還是對(duì)結(jié)構(gòu)大改造的磷酸鐵鋰電池，都對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出了更高的要求，當(dāng)前電池散熱系統(tǒng)正由風(fēng)冷向液冷傾斜。液冷主要通過電池管道內(nèi)的液體來控制電池的溫度，降溫效果較好，使整個(gè)電池的溫度達(dá)到均衡，但缺點(diǎn)也很明顯，其技術(shù)難度要大于風(fēng)冷，成本高（約為3500元），以及體積大，如果車廠在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)上布局不佳，整個(gè)電池的能量密度就會(huì)下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高爾夫GTE、蔚來ES6、比亞迪唐新能源、特斯拉Model 3等車型都采用了液冷方式，預(yù)計(jì)液冷技術(shù)的市場(chǎng)滲透率已超60%。
俗話說，一顆老鼠屎壞了一鍋粥。如果說某個(gè)電池單體發(fā)生了熱失控，相鄰單體電池也會(huì)相繼熱失控并蔓延。有什么辦法可以早期預(yù)防？或者在發(fā)現(xiàn)一個(gè)電池單體熱失控時(shí)就盡早“掐斷”它？
顧劍民告訴汽車之家，“電池安全不是某個(gè)技術(shù)點(diǎn)的問題，而是整個(gè)系統(tǒng)問題。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的根本作用是讓電池工作在一定的適宜溫度范圍內(nèi)，維持最佳的使用狀態(tài)和效率，用來保證電池系統(tǒng)的性能和壽命，而不是在電芯熱失控后再阻止?！?
此前有關(guān)電動(dòng)汽車自燃的案例都活生生地表明，電動(dòng)汽車一旦自燃，除非用大量的水降溫，單單用一些小型干粉滅火器根本無法遏制，大部分情況是眼睜睜地看著它全部燒光為止?！翱梢?，電池?zé)峁芾硇枰谠O(shè)計(jì)早期就干預(yù)，利用一個(gè)集成的優(yōu)化平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、熱量、疲勞和壽命等耦合來防止熱失控。一旦發(fā)生熱失控要馬上能監(jiān)測(cè)出并提前報(bào)警，讓駕駛員有足夠時(shí)間逃離至安全地方?！鳖檮γ裾f道。
當(dāng)然，為了終極目標(biāo)，業(yè)內(nèi)在電池?zé)峁芾砑夹g(shù)上仍不斷探索。據(jù)悉，美國(guó)Allcell Technology公司曾開發(fā)出一款基于相變材料（可以在液態(tài)和固態(tài)之間切換的一種材料）的電池?zé)崾Э馗綦x材料PCC。在針刺實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)由18650電池組成的4并10串的電池組，在沒有使用PCC材料時(shí)，一個(gè)電芯熱失控最終引發(fā)了電池組中20個(gè)電芯發(fā)生熱失控，而采用PCC材料的電池組中，一個(gè)電芯熱失控并未引發(fā)其它電池組熱失控。該方法被認(rèn)為是最有潛力的電池?zé)峁芾戆l(fā)展方向，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。
■冬天，被凍的電池如何“續(xù)命”？
除了重新審視電動(dòng)汽車的安全，續(xù)航也是消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)汽車的一大焦慮問題。目前有不少新車型在申報(bào)時(shí)稱其續(xù)航能達(dá)到600km，甚至700km以上，但真正的實(shí)際效果如何？“電動(dòng)車申報(bào)的續(xù)航，實(shí)際使用打個(gè)8折，開空調(diào)再打個(gè)6折?！币晃粯I(yè)內(nèi)人士對(duì)此調(diào)侃道。由于電池不受熱，也不耐寒，要保證電池在最適應(yīng)的溫度下工作，就要耗損許多電量。
相比夏季，極寒天氣下更是對(duì)電池是一種殺傷力。比如現(xiàn)在的一些手機(jī)，在寒冷的大東北，如果不在手機(jī)背后貼暖寶寶，沒幾分鐘就只剩下60%的電量，再一會(huì)直接給你關(guān)機(jī)了。手機(jī)變“磚頭”已經(jīng)苦不堪言，如這種情況換成在行駛的電動(dòng)汽車上，儼然就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。
對(duì)于傳統(tǒng)汽車來說，發(fā)動(dòng)機(jī)本身會(huì)攜帶大量熱量，冬天暖風(fēng)動(dòng)力消耗很少，但對(duì)于電動(dòng)汽車來說，少了發(fā)動(dòng)機(jī)這一熱源，動(dòng)力電池除了要給驅(qū)動(dòng)汽車提供能量，還要再分出一部分精力在暖風(fēng)耗電上，損耗極大。因此，一套完整的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)還需要在冬季這一關(guān)鍵時(shí)刻，為電池預(yù)熱，并協(xié)同空調(diào)熱管理系統(tǒng)，讓電池發(fā)揮出最大的續(xù)航能力。
現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車的暖風(fēng)空調(diào)大都會(huì)額外安裝一個(gè)PTC加熱器作為補(bǔ)充。它的工作原理和我們使用的“熱得快”相似，能使管道里的冷卻液迅速升溫，給電池包供暖，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉，但它的電能消耗巨大。
以上還是保守的算法，冬季使用PTC方案采暖對(duì)電池仍是極大負(fù)擔(dān)。如果加熱效率達(dá)不上，電動(dòng)汽車冬季續(xù)航減半也絕不是很夸張的說法。
難道就沒有一個(gè)更好的方法能給續(xù)航“保鮮”嗎？答案是有的，新的熱泵空調(diào)能有效緩釋電動(dòng)車采暖帶來的續(xù)航問題。相比PTC的“電能轉(zhuǎn)化熱量”，熱泵系統(tǒng)是“電能搬運(yùn)熱量”，沒有能量損失，制熱效率更加高效。據(jù)Hanon研究，相同的環(huán)境下，熱泵采暖的制熱效率是PTC的1.8-2.4倍，且節(jié)能效果顯著，能將取暖造成的損失里程減少至一半。
熱泵空調(diào)有這樣的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)車企們自然不會(huì)冷眼旁觀，包括奧迪R8 e-tron、寶馬i3(參數(shù)|詢價(jià))、日產(chǎn)聆風(fēng)、起亞Soul以及捷豹I-PACE等已采用熱泵系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，華域三電是最先實(shí)現(xiàn)熱泵空調(diào)量產(chǎn)的零部件企業(yè)，其熱泵空調(diào)配套了上汽乘用車旗下的榮威Marvel X和Ei5兩款電動(dòng)車。
然而，熱泵系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段初期，裝載滲透率仍不足10%，技術(shù)上還存在低溫啟動(dòng)難、成本高等問題?！霸诘蜏厍闆r下（-10℃至0℃區(qū)間），相比傳統(tǒng)的PTC加熱技術(shù)，法雷奧的熱泵技術(shù)可以將能耗最大降低30%左右，但是在極寒情況下（低于-10℃），一般建議用熱泵和PTC共同來提供熱量，這也是目前行業(yè)內(nèi)的共識(shí)。”顧劍民對(duì)此表示。
最近有個(gè)經(jīng)典案例，特斯拉不久前宣布了一項(xiàng)關(guān)于熱泵系統(tǒng)的新專利，預(yù)計(jì)將首先應(yīng)用于Modle Y。該技術(shù)在設(shè)計(jì)中取消了傳統(tǒng)PTC，而是將一個(gè)低壓PTC（起輔助作用）集成在熱泵空調(diào)里，再結(jié)合電池系統(tǒng)、功率電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車的系統(tǒng)回路整合在一起，建立了一套模塊化系統(tǒng)?！疤厮估倪@一‘打法’改變了軟件和硬件的關(guān)系，也改變了車企內(nèi)部不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)同概念，而這種新的組織方式短期內(nèi)傳統(tǒng)車企很難跟上?！币晃黄囯娮庸こ處煂?duì)此評(píng)論。
『來源：Model Y車主手冊(cè)』
■電動(dòng)車熱管理，國(guó)內(nèi)廠商的新奶酪？
與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)新增了電動(dòng)壓縮機(jī)、電子膨脹閥、電池冷卻器、PTC加熱器等部件，系統(tǒng)集成度及復(fù)雜度更高，成本由傳統(tǒng)車的1910元左右上升至電動(dòng)車的5280-9920元（2020年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)）。對(duì)于零部件企業(yè)而言，電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)是一塊新奶酪。
追溯過去，在傳統(tǒng)的汽車熱管理領(lǐng)域中，海外零部件巨頭電裝、翰昂、法雷奧、馬勒四家企業(yè)合計(jì)占據(jù)全球汽車熱管理市場(chǎng)54%的份額（2017年數(shù)據(jù)）。正因?yàn)榇?，這些企業(yè)在切換至電動(dòng)車熱管理領(lǐng)域得心應(yīng)手，有先發(fā)制人的優(yōu)勢(shì)。
『法雷奧新能源汽車熱系統(tǒng)（包括熱泵和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)）示意圖』
如法雷奧目前占據(jù)全球電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)15%的份額，為諸如特斯拉Model 3等車型提供冷卻板，并在2019年拿下大眾ID.3、標(biāo)致e-208等電池?zé)峁芾砑盁岜糜唵?，共?shí)現(xiàn)營(yíng)收362億元，占公司總營(yíng)收23.7%；電裝在2017年研發(fā)的新型熱泵搭載于豐田普銳斯Prime PHEV上，工作范圍可擴(kuò)展至-10℃，比原先版本節(jié)能63%，使得車輛的續(xù)航里程提高21%；馬勒以熱泵為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套集成式熱管理系統(tǒng)可提升電動(dòng)車冬季續(xù)航里程最高達(dá)20%，目前正在樣車測(cè)試中。
這樣來看，電動(dòng)汽車熱管理這一核心技術(shù)又被海外企業(yè)掐住了“命門”？不完全是，空調(diào)系統(tǒng)因?yàn)榧夹g(shù)更新較少，傳統(tǒng)熱管理巨頭能把自己的優(yōu)勢(shì)順利平移，但電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一個(gè)完全新生的領(lǐng)域，還沒有企業(yè)能夠搭起技術(shù)壁壘。
國(guó)內(nèi)熱管理企業(yè)如銀輪股份、三花智控、奧特佳、松芝股份等近年也在積極拓展電動(dòng)車熱管理領(lǐng)域。雖說國(guó)內(nèi)企業(yè)有機(jī)會(huì)動(dòng)了電動(dòng)車熱管理這一奶酪，但它們更多是切入熱管理Tier2領(lǐng)域，在系統(tǒng)集成能力上與國(guó)際熱管理巨頭相比仍有欠缺，如騰龍股份雖然向特斯拉提供熱管理零部件，但中間還需要通過翰昂美國(guó)公司進(jìn)行集成。
從趨勢(shì)上看，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)汽車熱管理廠商從單個(gè)部件向系統(tǒng)集成化拓展已成必然，如銀輪股份在2020年3月與特斯拉簽署協(xié)議，為其提供汽車換熱模塊產(chǎn)品；公司熱泵系統(tǒng)將于今年下半年批量供貨于江鈴新能源；2021年開始將向吉利PMA純電動(dòng)平臺(tái)配套熱交換總成產(chǎn)品。可見，新能源汽車所帶來的機(jī)遇有可能將熱管理市場(chǎng)的座次重新排位，而國(guó)內(nèi)廠商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)來源于兩點(diǎn)：貼近市場(chǎng)和低成本，未來還需要由Tier2上升到Tier1，綁定整車廠開發(fā)更精細(xì)的熱管理系統(tǒng)，以提升自己的話語權(quán)。
■寫在最后：
如今，新能源汽車補(bǔ)貼新政延長(zhǎng)，同時(shí)還強(qiáng)調(diào)了“技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定”，這都給了車企更長(zhǎng)的緩沖期。希望車企不再盲目追求“能量密度”，也不要因?yàn)榻档统杀径倒p料，讓消費(fèi)者陷入續(xù)航減半、安全等多重焦慮中。電動(dòng)汽車想要“浪”，熱管理得先跟上。
對(duì)于未來新能源汽車熱管理的發(fā)展，顧劍民提出了兩點(diǎn)趨勢(shì)：一是智能化熱管理，熱管理系統(tǒng)未來一定會(huì)結(jié)合智能座艙，為用戶帶來更舒適的體驗(yàn)，如自動(dòng)調(diào)節(jié)最適宜的座艙環(huán)境溫度；二是支持快充和超充，充電難和充電慢是目前影響電動(dòng)汽車用戶體驗(yàn)的兩大痛點(diǎn)，縮短充電時(shí)間，比如以特斯拉V3超充樁，需要迅速帶走熱量，這也需要電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來協(xié)助完成。（文/汽車之家 彭斐）
